Ignacio Enrique Zaldívar Huerta
El doctor es investigador de la Coordinación de Electrónica del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE).
Julio Verne fue un escritor francés de ciencia ficción y entre sus obras se encuentra la novela Viaje al centro de la Tierra de 1864; en esta obra narra a detalle lo que el profesor de mineralogía, Otto Lidenbrock, su sobrino Axel y un guía llamado Hans van encontrando en su viaje al interior de nuestro planeta.
A inicios del siglo pasado, el poder transportar información a través de fibra óptica usando luz parecía otra novela de Julio Verne. Sin embargo, desde hace 50 años esto se convirtió en una realidad, de tal manera que el término fibra óptica se ha vuelto muy común en nuestro lenguaje cotidiano. Actualmente, diversas compañías proporcionan servicios tales como el Internet y la televisión de alta definición mediante fibra óptica.
Dado que nunca se ha visto nada que viaje más rápido que la luz, la cual tiene una velocidad de 300,000 km/s, usarla para la distribución de estos servicios garantiza velocidad, seguridad y calidad en la entrega de los mismos. El objetivo de este artículo es explicar el viaje de la luz al interior de una fibra óptica.
Básicamente, una fibra óptica es un hilo tan delgado que puede pasar por el ojo de una aguja y cuya dimensión es similar a un cabello humano; en promedio, el diámetro de un cabello humano es del orden de 60 micras (una micra corresponde a la millonésima parte del metro). La fibra óptica es fabricada de algún material de gran pureza, de tal manera que permite la propagación de luz en su interior.
Pero, ¿sabemos qué es lo que encuentra la luz a medida que viaja al interior de una fibra óptica?
Para responder esta pregunta, consideremos que la luz está constituida por fotones; un fotón es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluida la luz visible que proviene del Sol. También existen fuentes de luz artificial como la generada por los láseres, ¡sí!, como el sable láser que aparece en la película de ciencia ficción de La Guerra de las galaxias de 1977. Básicamente, una fibra óptica está constituida por cilindros concéntricos, donde uno de ellos es el núcleo (región donde viaja la luz) y por otros dos que son recubrimientos.
El material del núcleo está caracterizado por su índice de refracción (o el parámetro cuantitativo que indica cuánto se reduce la velocidad de la luz dentro de un medio); recordemos que la velocidad de la luz en el vacío posee un índice de refracción (n) y velocidad (c) de 1 y 300,000 kilómetros por segundo, respectivamente, dado que todos los medios en la naturaleza siempre tendrán valores de índice de refracción superiores a la unidad. En el caso de la fibra óptica, típicamente, el valor del índice de refracción del núcleo es 1.47, lo que significa que la luz reduce su velocidad a 204,080 kilómetros por segundo al viajar por este medio. Además, el hecho de que el índice de refracción sea mayor a la unidad, garantiza que la luz no puede escaparse del núcleo.
De manera simplificada, la luz puede ser modelada como un rayo luminoso, lo cual permite describir la propagación de la luz al interior de una fibra óptica usando la teoría de rayos; esta hipótesis permite asumir que los rayos luminosos se van a propagar por un túnel rectangular de dimensiones bien definidas constituido por paredes superiores e inferiores, las cuales se comportan como espejos donde los rayos pueden reflejarse. Además, la estructura consiste de tramos rectilíneos y curvas.
A la entrada de la fibra habrá una serie de rayos de luz que empiezan el viaje al interior de la fibra óptica por medio de rebotes en las paredes de la estructura, lo que se conoce como reflexión total interna. Sin embargo, también la luz encontrará:
a) Impurezas que pueden estar presentes al momento de fabricar la fibra, provocando que la luz se convierta en calor o se desvíe de su trayectoria.
b) Imperfecciones en las paredes superior e inferior de la estructura, causando que la luz se escape de la fibra.
c) Curvaturas que provocan que ya no se cumpla la condición de reflexión total interna, dando como resultado que la luz salga de la fibra.
Afortunadamente, en la actualidad, las técnicas de fabricación de las fibras ópticas permiten obtener hilos con el mínimo de imperfecciones. Los rayos que logren evitar los efectos antes mencionados serán los únicos que ganarán la salida. Precisamente, estos rayos que alcanzan a salir son los que de, alguna manera, traen codificada los datos que se desean transmitir (Internet, televisión, etc.). Nótese que la información que se conduce está viajando a 204,080 kilómetros por segundo, lo cual no es nada despreciable; es por esto que el Internet por fibra óptica puede conseguir velocidades de hasta 940 millones de bits por segundo (Mbps), con poca demora.
En este artículo se mostró de una manera sencilla el viaje de la luz al interior de una fibra óptica y se expuso también la composición estructural de una fibra óptica, todo esto con la finalidad de quien lo lea pueda entender de una manera fácil cómo se reciben los servicios de información en nuestra vida cotidiana a velocidades extraordinarias.
Fuente: elsoldemexico.com.mx